一种集成软启动功能的频率抖动技术

随着开关电源开关频率的不断提高，其高频开关信号中的大量谐波成分会通过传输线和空间电磁场向外传播,从而会造成不可忽视的传导和辐射干扰问题，因此，如何解决电磁干扰(EMI)已成为开关电源设计的一个重要问题。频率抖动技术(FrequencyJitter)是一种从分散谐波干扰能量解决EMI问题的新方法。它是指开关电源的工作频率并非固定不变,而是周期性地变化来减小电磁干扰的一种方法。

同时，在开关电源脉宽调制的启动阶段，大的占空比会产生很大的浪涌电流，使得输出电压迅速升高，导致输出电压过冲，从而导致电源芯片的损坏。而软启动电路则会在启动阶段通过控制电感电流由小到大逐渐上升，使得输出电压稳步变化，从而避免浪涌电流和过冲电压的出现。

本文介绍的频率抖动技术并不是釆用复杂的分频电路控制，而是利用对固定电容充放电所形成的电压信号来改变振荡器电容的充放电电流，从而改变振荡器的频率。在芯片刚开始启动的时候，也可以釆用对此固定电容进行充电所产生的斜坡电压信号来实现软启动功能。

1  信号产生电路的分析

集成有软启动功能的频率抖动信号产生电路如图1所示。其中的信号产生电路用于产生芯片刚上电时的软启动电压信号和软启动结束后的频率抖动电压信号。

在图1所示的频率抖动信号产生电路中,V_BLAS是恒流源的偏置电压,CONTROL3在芯片刚开始工作时为高电平.CONTROL4在芯片正常工作时一直为高电平,CONTROL2在芯片正常工作的时候一直为低电平。所以，在芯片软启动时，M₂导通，M₁和M₃是关断的。由于M₂是一个倒比管(W/L=9/40),电流很小。又知M₉导通，L_m2会分成两部分流到和从而使管的栅源电压为一个较低的值。WCONTROL1为高，所以M₁₅、M₁₆关断，M₁₂和M₁₃形成正常的电流镜关系，其中(W/L)₁₂=45/10,(W/L)₁₃=9/22,从而使得镜像到M₁₃的电流减小。所以，在芯片刚上电时,对电容C₁充电的电流会非常的小,V_C1将从0.9V(电路上电过程会给C₁设定一个初始值)开始缓慢的上升，当V_C1到达4.1V左右时,软启动结束。在这个过程中，C₁上所产生的缓慢上升的斜坡电压信号即为软启动电压信号。

当软启动过程完成后，右边的数字控制模块将产生频率抖动功能所需的使能信号，此时CON-TROL1和CONTROLS将跳变为低，M₁₄(W/L=6/4)、M₁₅(W/L=6/4)和M₁₆(W/L=9/5)导通，使M₁₂和M₁₃的栅极电压上升到Vcc左右以关断M₁₂和M_13.此时电容C₁的充电通路被关断，放电通路打开，C₁开始缓慢的放电，V_C1为下降的斜坡信号。由于M₁(W/L=10/12)和M₂(W/L=9/40)都导通，使M₇的电流增大，此时镜像到M₁₁的电流也相应增大,使频率抖动时的放电电流比软启动时的充电电流大,故可满足频率抖动更短周期的需要。当控制电路检测到V_C1下降到1.8V时，CONTROL1跳变为高。此时M₁₅和M₁₆关断，故M₁₂和M₁₃再次导通，电容C₁的充电通路被导通，放电通路关断，使V_C1为上升的斜坡信号。当V_C1达到4.1V左右时,CONTROL1再跳变为低。如此循环，就可在C₁上形成频率抖动信号。使用TSMC 0.50 μm CMOS工艺库对信号产生电路进行HSPICE仿真的仿真波形如图2所示。

从图2中的仿真波形可以看出，V_C1从0.9V上升到4.1V用了17ms,软启动完成后,V_C1为三角波信号，它将以高(4.1V)低(1.8V)阈值振荡,其周期为3ms左右。

2  信号转换电路的分析

本系统中的信号转换电路如图3所示。此电路可将图1所示电路产生的电压信号转换为具体相关信号，如将软启动电压信号转换为芯片工作模式控制信号，从而使外围电感电流由小到大逐渐上升。同理,在软启动结束后，再把频率抖动电压信号转换为振荡器频率的控制信号，以使振荡器输出频率在一定范围内周期性变化。

当软启动开始时，由于外围输出电压还未建立，没有反馈信号到芯片内部,V_C1经过转换后的信号即为此时的反馈信号。软启动数字控制模块在软启动开始时刻将输出高电平以使M₇导通。由于V_C1电压缓慢升高，又由于V_BIAS1、V_BIAS2是恒流源的固定偏置，所以，I_M5細逐渐减小,镜像到M₆、M₈的电流也逐渐减小。而因V_BIAS1是恒流源，所以I_RQD逐渐增大。I_RQD即为直接控制软启动的电流信号，在软启动过程中，I_RQD将是影响功率管栅信号的主要因素，因为此信号将改变芯片的工作模式(栅信号工作频率范围)，而且I_ZDQ的变化很微弱。

随着V_C1缓慢升高，I_RQD逐渐增大，17ms软启动可通过使栅信号从低频PWM模式(30kHz)起，到变频PFM模式再到全频PWM模式(130kHz)逐渐改变，从而使漏极峰值电流和开关频率呈线性从最小值增加到最大值的缓慢过程。这不仅能有效地将输出MOSFET,钳位电路和输出整流器在启动时的电流和电压应力降至最低。而且还有助于使输出过冲达到最小,故可以防止启动期间的变压器饱和。

当软启动结束时,V_C1上升到4.1V,软启动数字控制电路经检测运算后将输出低电平,M₇被关断。此时由于外围反馈信号环路已经建立，故其工作模式完全由外围反馈信号决定。在软启动结束时V_C1为4.1V,此时V_C1开始缓慢下降到1.8V,从而使I_M5逐渐增大,经过M₅和M₈以及M₉和M₁₀镜像后，I_ZDQ也会增大,I_ZDQ即是直接控制频率抖动的电流信号。在V_C1从4.1 V降到1.8V的过程中，振荡器的频率将从125kHz上升到135kHz。当V_C1下降到1.8V后，它又会缓慢上升到4.1V,同时使I_ZDQ逐渐减小，所以，振荡器的频率将从135kHz降到125kHz。同样，使用TSMC 0.50 μm CMOS工艺库对信号转换电路进行HSPICE仿真的仿真波形如图4和图5所示。

图4所示为软启动时的功率管栅信号波形图。从图中可以看出，当V_C1在1V时，功率管栅信号频率在30kHz左右,此时芯片工作在低频PWM模式；随着V_C1逐渐上升，当V_C1在1.7V时,功率管栅信号的频率在69kHz左右，此时芯片工作在PFM模式；当V_C1上升到4.1V时，功率管栅信号的频率在125kHz左右,此时芯片工作在全频PWM模式。图5为频率抖动的仿真波形图,V_C1在4.1V时,功率管栅信号的频率在125kHz左右,V_C1在1.8V时，功率管栅信号的频率在135kHz左右。频率抖动范围为±5kHz。

3  结论

本文对带软启动功能的频率抖动技术进行了简单介绍，分析了频率抖动和软启动电压信号产生电路的工作原理。同时也分析了电压信号是怎么转换成具体控制信号的。同时使用TSMC0.50fimCMOS工艺库进行了仿真验证，结果证明，其与分析设计的结果基本一致。